Yüksek Miktarda Nikel İçeren Bileşiğin Elektrikli Araç Bataryalarının Ömrünü Uzatacağı Kanıtlandı
Fotoğraf: Katot partikülü üzerinde meydana gelen çatlaklar.
Çevreye verdiği zarar oldukça düşük olan elektrikli araçların bataryalarının daha uzun ömürlü ve ucuz olması sağlanabilseydi yaygınlaşmaları daha kolay olurdu.
Elektrikli araçların bataryalarının daha uzun ömürlü ve ucuz olması amacıyla geliştirilen stratejilerden biri, batarya katotlarında bulunan ve maliyetli olan Kobalt yerine düşük maliyetli Nikel kullanmaktır. Bunun gerçekleşebilmesi için değerlendirilen yöntemlerden biri Lityum-iyon bataryalarında bulunan Nikel-Manganez-Kobalt (NMC) katotlarının elektrikli araç bataryalarına uygulanmasıdır. Batarya üreticileri bu çalışmalar kapsamında NMC katotları içerisindeki Nikel / Kobalt oranını arttırmayı hedeflemiştir. Böylece hem bataryaların maliyeti düşebilecek, hem de Nikel’in elektro kimyasal özellikleri sayesinde şarj kapasiteleri de artacaktır.
Ancak son zamanlarda yapılan çalışmalar ile NMC katotları içerisindeki Nikel miktarını arttırmanın batarya ömrünü tüketen zararlı reaksiyonları tetiklediği anlaşılmıştır. Bahsi geçen reaksiyonlar sonucunda mikrometre ile ölçülen boyutlardaki katot parçacıklarının parçalandığı ve bataryanın tekrar şarj edilebilmesine olanak vermediği fark edilmiştir.
Konu hakkında umut verici bir gelişme olarak Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’nda (Pacific Northwest National Laboratory) çalışan Jie Xiao ve çalışma arkadaşları tarafından bu probleme bir çözüm geliştirilmiştir. Yürüttükleri araştırmalar sonucunda daha sağlam ve Nikel bakımından zengin bir NMC katot materyali ortaya çıkmıştır. Ayrıca Jie Xiao ve çalışma arkadaşları, geliştirilen bu materyalin şarj döngüsü içerisindeki fiziksel değişimlerini de açıklayarak daha ileride yapılabilecek çalışmalara ışık tutmuştur.
Çalışmaların kilit noktası olarak NMC katotunun bir parçacığı içerisindeki Nikel oranının %30-40 bandından %80’e çıkartılması hedeflenmiştir. Normal NMC katotlarının nanokristal yığınlarından oluşan yapısına kıyasla, tek bir kristal parçacık formunun istenmeyen reaksiyonların gerçekleşeceği çok az aktif bölgesi bulunmaktadır. Bu yapısı sayesinde şarj depolamasının %25 daha fazla olması sağlanırken bir yandan da katot parçacıklarının parçalanmasının daha da zorlaştığı ifade edilmiştir.
Bahsi geçen bu materyal, parçalanmaya karşı dayanıklı olsa da belirli bir noktadan sonra parçalanmayacağı kesin değildir. Bataryalar üzerinde yapılan testlerde, şarj ve kullanım esnasında partiküllerin mikroskopik boyuttaki tabakalarının tıpkı oyun kartları gibi ileri ve geri yönlü kaydıkları görülmüştür. Bunun sebebinin lityum iyonlarının materyal içerisindeki hareketleri olduğu ve partiküller üzerinde çatlamalara sebebiyet verdiği öngörülmüştür.
Neyse ki kayma probleminin çözülebileceği ve kayma hasarının azaltılabileceği de belirtilmiştir. Yapılan çalışmalar ile partikül boyutlarının 3.5 µm’yi aşmaması ve katotların 4.2 V civarında çalışması ile çatlamalara ve bozunmalar yaşanmayacağının garantisi verilmiştir.
Bu durum zaten hali hazırda oldukça sağlam olan partiküllerin daha da sağlam olması ile sonuçlanacak ve elektrikli araç bataryalarının geliştirilmesinde önemli bir engelin aşılmasını garantileyecektir.
Kaynak: acs.org
